RETROSPECTO DE ESTUDOS SOBRE COGERAÇÃO EM USINAS

Nos últimos anos, têm surgido diversos trabalhos relacionados à análise energética, exergética e termoeconômica de sistemas aplicados às usinas de açúcar e álcool e verifica-se que a produção nesta área continua intensa até hoje, o que demonstra a preocupação dos pesquisadores com o tema. A seguir serão apresentadas resumidamente algumas publicações que serviram como referência para o desenvolvimento do presente trabalho.

Walter (1994) tratou da cogeração e da produção independente de eletricidade, como formas de geração descentralizada de energia elétrica e, em especial, da viabilidade e das perspectivas dessas tecnologias junto ao setor sucroalcooleiro no Brasil, levando-se em conta a expansão da agroindústria canavieira. Foram analisadas várias alternativas de geração elétrica em larga escala e determinadas as principais características técnicas de cada sistema, tais como a capacidade de geração, a produção de energia elétrica, a disponibilidade de excedentes e a demanda de biomassa. Esses resultados permitiram identificar o potencial das tecnologias de maior viabilidade técnica e econômica, a partir da consideração de cenários alternativos de crescimento da produção de cana no estado de São Paulo e da identificação das usinas mais adequadas para esses empreendimentos.

Barreda Del Campo e Llagostera (1996) avaliaram três configurações de sistemas de cogeração em usinas de açúcar, visando à produção de excedentes de energia elétrica passíveis de comercialização. Foi estudada a influência dos parâmetros do vapor, da eficiência das caldeiras e, para as configurações de melhor desempenho, da dependência da geração de eletricidade em função da demanda de vapor de processo. Foram efetuadas análises exergéticas das alternativas mais significativas e, finalmente, avaliações econômicas das configurações que se apresentaram mais promissoras.

Coelho, Oliveira Jr. e Zylberstajn (1997) realizaram uma análise termoeconômica do processo de cogeração em uma usina de açúcar e álcool paulista. Os custos exergéticos do processo de geração de vapor e eletricidade foram calculados para várias configurações, a partir de estimativas de excedentes de eletricidade e dos investimentos correspondentes.

Foram aplicados os métodos de “igualdade”, “extração” e “trabalho como subproduto”, para a partição dos custos. Entre as configurações avaliadas, destaca-se uma que consistiu na simples troca de equipamentos, mantendo-se os mesmos níveis de pressão nas caldeiras e turbinas de contrapressão, com pequeno investimento em técnicas relativas ao uso racional de energia, visando apenas atingir a auto-suficiência energética. Outra configuração estudada consistiu no aumento dos níveis de pressão e a realização de investimentos adicionais no uso racional de energia, incluindo a eletrificação das moendas. Por fim, foi analisada uma configuração na qual foram realizados grandes investimentos, através da substituição da turbina de contrapressão por uma de extração-condensação, produzindo, neste caso, significativo excedente de eletricidade.

Barreda Del Campo et al. (1998) estudaram o sistema de cogeração de uma usina sucroalcooleira que fornece excedentes de energia para a rede elétrica. Foram calculados, além das propriedades termodinâmicas dos diferentes fluxos do sistema, os balanços de massa, energia e exergia. Além disso, eles realizaram uma comparação das eficiências de primeira e segunda lei, mostrando a utilidade desta última na avaliação de um sistema real, e como elemento importante para decisão de melhorias das plantas térmicas ao evidenciar os equipamentos de maiores irreversibilidades e, conseqüentemente, a perda de oportunidades de geração de energia elétrica.

Carpio et al. (1999) apresentaram critérios de avaliação termodinâmica para sistemas de cogeração em usinas de açúcar, analisando dois sistemas de cogeração, um com turbina de contrapressão operando a 2,1 MPa e 300 ºC e outro com turbina de extração-condensação operando a 8,0 MPa e 450 ºC. Foi analisada também a possibilidade de utilização de combustíveis auxiliares para o período da entressafra, usando palha de cana, eucalipto e gás natural. Além disso, foi determinado o custo de geração de eletricidade para cada caso. Os autores concluíram que o sistema com turbina de condensação e com duas extrações apresentou eficiência de 66 % contra 42 % do sistema de contrapressão, além de ter uma taxa de economia da energia do combustível de quase sete vezes. Como alternativas de geração fora da safra, o gás natural foi o combustível que apresentou o menor custo seguido pela palha de cana, se considerado custos de colheita e transporte inferiores a R$ 25,00 por tonelada.

Coelho (1999) propôs e discutiu mecanismos para viabilizar um programa amplo de venda de excedentes de eletricidade a partir da biomassa das usinas de açúcar e álcool do Estado de São Paulo. Além disso, foi realizada uma avaliação termoeconômica da Companhia Energética Santa Elisa, localizada em Sertãozinho (SP), e foram propostas modificações na

legislação e na regulamentação em vigor e, também, estudos visando à inclusão dos custos ambientais e taxação de carbono no planejamento integrado do setor elétrico brasileiro.

Vieira e Pellegrini (1999) apresentaram um estudo de caso onde foi analisada a repotenciação de usinas de açúcar e álcool de médio porte, localizadas na região sudeste do país. Para tanto, foi considerada uma unidade padrão característica do setor que processa 10 mil toneladas de cana por dia e foi utilizado um modelo matemático denominado Modelo de Despacho Hidrotérmico, comumente usado como balizador no processo decisório da expansão de empreendimentos para oferta de energia elétrica. Foi constatado que as usinas sucroalcooleiras, embora apresentem um regime sazonal de operação, são empreendimentos bastante interessantes do ponto de vista da expansão do sistema elétrico brasileiro.

Arrieta (2000) analisou a possibilidade da utilização do gás natural como combustível complementar para a cogeração no setor sucroalcooleiro. Foi realizada uma análise econômica da integração de blocos geradores BIG-GT a usinas de diferentes capacidades de moagem e consumo de vapor em processo, a partir de diferentes relações de potência térmica entre os combustíveis (gás natural e bagaço) visando calcular o custo de eletricidade gerada. Além disso, foi feita uma análise termoeconômica, visando calcular o custo da eletricidade gerada por bloco gerador integrados a uma usina de capacidade média com um consumo de vapor reduzido se comparado com o atual.

Corrêa Neto (2001) avaliou a viabilidade técnica e econômica de projetos de geração de energia elétrica utilizando como combustível o bagaço, a palha e as pontas da cana-de- açúcar, como opção complementar à expansão do sistema elétrico brasileiro. A tecnologia analisada foi de geração termelétrica com ciclo combinado, operando em cogeração, integrado a sistemas de gaseificação de biomassa para a produção de gás combustível, com e sem adição de gás natural. A análise econômica foi feita através da modelagem e construção de curvas de economicidade do projeto, baseadas nos preços da energia elétrica, do gás natural e nos custos da biomassa.

Sánchez Prieto e Nebra (2001) fizeram uma análise de custo exergético do sistema de cogeração de uma usina açucareira que tem toda sua demanda de potência e energia térmica satisfeita pelo próprio sistema. Neste trabalho, os autores incluíram a determinação das irreversibilidades e das eficiências da segunda lei da termodinâmica, salientando a importância destas eficiências para as decisões sobre possíveis alterações do sistema, tanto para melhoria na planta térmica, como no sentido de atender os requisitos necessários estabelecidos pela ANEEL para a qualificação de centrais cogeradoras para a venda de energia.

Sánchez Prieto, Carril e Nebra (2001) apresentaram uma análise de custo exergético do sistema de cogeração aplicado na Usina Cruz Alta, localizada na cidade de Olímpia (SP). Neste estudo é enfatizada uma metodologia para a determinação experimental da eficiência do sistema, permitindo a determinação do consumo de bagaço de cana da caldeira. Além disso, cada equipamento foi tratado separadamente de forma que os balanços de massa, energia e exergia foram feitos para cada componente do sistema térmico.

Higa e Bannwart (2002) realizaram algumas simulações e análises térmicas de uma planta produtora de açúcar e álcool visando otimizar a produção de excedente de energia elétrica e encontrar a melhor forma de recuperação de calor e integração térmica do processo. Foram consideradas diferentes tecnologias de cogeração e de arranjos de evaporadores de múltiplos efeitos. Os resultados obtidos demonstraram que diferentes configurações requeriam também diferentes medidas e estabeleceram algumas prioridades, que podem ser realizadas em diversos níveis de investimentos econômicos. Além das diferenças na integração da usina no sistema de cogeração para a economia de bagaço, ou para o aumento da geração de energia elétrica excedente, foi possível concluir que as medidas para alcançar esses objetivos devem ser priorizadas de acordo com o consumo de vapor de processo e a integração de evaporadores de múltiplos efeitos.

Lobo et al. (2002) analisaram os processos de extração de duas empresas sucroalcooleiras que usam turbinas de contrapressão para fornecer trabalho, sendo o vapor de contrapressão utilizado como energia térmica de processo. Uma das empresas emprega grandes turbo geradores de múltiplos estágios, que operam com entrada de vapor a 3,0 MPa e 330 ºC, para cogerar energia elétrica para motores elétricos que acionam as moendas, picadores e desfibradores. Já na outra empresa, o acionamento das máquinas é realizado diretamente por pequenas turbinas de simples estágio operando com vapor a 2,0 MPa e 290 ºC. Foi verificado que a empresa que utiliza energia elétrica cogerada, com turbinas maiores para acionar as máquinas, chega a economizar 65 % do bagaço gasto para moer uma tonelada de cana quando comprada com a empresa que utiliza várias turbinas menores e menos eficientes. Foi concluído que, com o uso mais racional do bagaço gerando vapor em temperaturas e pressões maiores, obtém-se uma grande economia de bagaço, que tanto pode ser comercializado in natura, ou ser usado para cogeração de excedentes de eletricidade.

Jaguaribe et al. (2002) realizaram um estudo termodinâmico e avaliaram as condições técnicas das instalações a serem implantadas em um sistema de cogeração de energia na Destilaria Japungu Agroindustrial S.A., localizada em Santa Rita (PB). A ampliação proposta não tinha o objetivo apenas de tornar a destilaria auto-suficiente em termos de energia, mas

também de tornar possível exportar 33.616 MWh durante a safra e 3.600 MWh na entressafra. Foram considerados todos os custos envolvidos e os resultados mostraram que, naquela oportunidade, o negócio não seria atrativo, mas se houvesse uma elevação do preço de venda da eletricidade, o novo sistema de cogeração com venda de energia seria mais rentável.

Brighenti (2003) apresentou e analisou os diversos requisitos necessários para que haja uma integração confiável e segura dos sistemas de geração a partir de biomassa (especificamente cogeração com bagaço de cana) ao sistema elétrico de potência. Foi considerado um estudo de uma usina de açúcar e álcool do Estado de São Paulo (Usina Santa Adélia) que recentemente ampliou sua geração própria, passando a comercializar sua eletricidade excedente com a CPFL. Foram levantadas e analisadas as barreiras técnicas, legislativas, econômicas e ambientais, que, em conjunto, determinam a integração do cogerador, sendo dada ênfase especial à parte técnica da interligação, buscando analisar o impacto que a inserção dos produtores independentes pode causar no sistema elétrico e o que precisaria ser feito para a interligação com a concessionária.

Leite (2003) apresentou várias propostas de ciclos de potência e de plantas de cogeração para especificação de uma central termelétrica para operar em ciclo combinado, utilizando o gás natural e o bagaço de cana excedente de usinas sucroalcooleiras como energéticos. O trabalho consistiu na determinação da melhor opção na seleção da central termelétrica, considerando o critério de mínimo custo por kWh de energia produzida, através de uma análise termoeconômica, com a avaliação dos custos de produção de vapor e de eletricidade em base exergética.

Sánchez Prieto (2003) realizou uma detalhada análise energética e exergética, visando determinar as eficiências de primeira e segunda lei da termodinâmica para os principais equipamentos de duas plantas de usinas sucroalcooleiras, bem como o consumo de combustível envolvido, além de alguns índices de desempenho típicos de sistemas de cogeração. O objetivo fundamental da avaliação foi determinar os custos dos principais fluxos do sistema, considerando os custos como se fosse uma instalação nova, com taxa de juros de 15 % ao ano e um período de amortização de 15 anos. Foi avaliada a variação do custo de bagaço e sua influência nos custos dos fluxos da planta e dada ênfase na potência elétrica e nos índices de desempenho.

Jaguaribe et al. (2004) discutiram um caso real de investimento na ampliação do sistema de cogeração de energia em uma indústria sucroalcooleira paraibana (Japungu Agroindustrial S.A.), considerando o preço sazonal do bagaço, os custos de geração de energia e levando-se em conta um período de 10 anos. Com o novo parque de cogeração a

indústria se tornou auto-suficiente em energia, dispondo de 21.240 MWh para comercialização, com uma potência média de exportação de 4 MW. Todavia, após a análise econômica efetuada, verificou-se que a melhor opção seria manter a planta na forma original e vender o bagaço a R$ 26,00 por tonelada.

Fiomari (2004) realizou análises energética e exergética de cinco plantas de vapor de uma usina sucroalcooleira. As plantas consideradas foram baseadas nas propostas de expansão do sistema de cogeração da Destilaria Pioneiros, no período de 2003 a 2007. Através da primeira e segunda leis da termodinâmica, foi possível avaliar a eficiência e a geração de calor e potência para cada componente, caldeiras, turbinas, condensadores e bombas que compunham as plantas avaliadas, bem como o aproveitamento global de energia de cada uma delas. Através de índices baseados na primeira lei da termodinâmica, foi possível comparar todas as plantas consideradas. Além disso, foram calculados também alguns indicadores que são bastante comuns em usinas de açúcar e álcool, como o consumo específico de vapor de turbinas a vapor ou consumo específico de vapor de processo. Algumas análises de sensibilidade foram feitas para avaliar o comportamento do aproveitamento global de energia de um ciclo com turbina de extração-condensação levando em consideração a variação de parâmetros como eficiência da caldeira, consumo de vapor de processo e taxa de condensação na turbina de extração-condensação. Observou-se que a eficiência da planta foi bastante sensível à variação da taxa de condensação e aumentou quando se aumentou a demanda do vapor de processo.

Uchôa (2005) analisou a possibilidade de aproveitamento do gás natural como combustível complementar em usinas de açúcar e álcool paulistas, que ficam próximas do gasoduto, com a finalidade de não só aumentar a quantidade de energia e/ou bagaço para comercialização, como também permitir a operação durante todo o ano. Para tanto, foi feito um estudo termodinâmico minucioso, bem como uma criteriosa análise da viabilidade técnica e econômica, levando-se em conta as modificações que devem ser feitas com relação às plantas tradicionais dessas usinas, que incluem a implantação de queimadores de gás nas caldeiras e/ou a instalação de uma turbina a gás e uma caldeira de recuperação. O gás natural queimado diretamente nas caldeiras mostrou-se uma opção economicamente inviável, enquanto que seu uso em ciclo combinado pode ser uma alternativa interessante, desde que existam condições favoráveis ao retorno dos altos investimentos a serem realizados.

Bohórquez, Horta Nogueira e Lora (2006), avaliaram a utilização integral do bagaço de cana de açúcar resultante do processo produtivo de uma usina de açúcar que pretende incrementar sua capacidade de geração de energia elétrica de 7 para 35 MW, mediante o

redesenho do ciclo e a incorporação de novos turbogeradores. Utilizando as ferramentas termoeconômicas foi estabelecida a matriz de incidência da planta de cogeração, a determinação dos custos exergoeconômicos e a realização das simulações da variação do preço de combustível e a eficiência da caldeira. Além disso, foi efetuado um breve estudo econômico da produção de energia elétrica e da venda dos excedentes de 27 MW médios e concluído que o custo da eletricidade gerada era de US$ 0,0511/kWh.

Walter e Llagostera (2006a) realizaram uma análise da viabilidade da utilização de ciclos combinados com co-firing baseado na gaseificação dos resíduos da cana de açúcar (bagaço e palha) e aproveitamento do gás natural. A análise foi baseada nos custos de investimento de capital e de operação e manutenção de tais ciclos, levando em conta os custos atuais e de médio prazo das tecnologias BIG-CC em desenvolvimento. Foi concluído que uma profunda redução dos custos de investimentos nas tecnologias de gaseificação, bem como do custo do gás natural, são pontos chaves para fazer a tecnologia BIG-CC competitiva frente às outras opções existentes no mercado para a produção de eletricidade, mas isso só vai ser conseguido com a implantação e aprimoramento de algumas pequenas e médias unidades experimentais.

Walter e Llagostera (2006b) realizaram uma pré-análise da viabilidade da integração de turbinas a gás com caldeiras que queimam pontas e palhas de cana, em uma configuração similar as que são utilizadas no caso de incineração de resíduos sólidos urbano, visando à produção de eletricidade. Ressalta-se que o aproveitamento destes resíduos para a geração ou cogeração de energia se torna importante não só para o aumento atual do potencial, como também para a substituição do próprio uso do bagaço da cana, a partir do momento que o mesmo passar a ser utilizado para a produção de etanol através do processo de hidrólise. Foram consideradas duas configurações para a análise sob o ponto de vista termodinâmico e econômico. Numa das configurações o vapor é produzido tanto na caldeira convencional de biomassa como também uma caldeira de recuperação, que utiliza os gases de exaustão da turbina a gás, e, também, superaquece o vapor oriundo da caldeira convencional antes de entrar na turbina a vapor. Na outra configuração o vapor é produzido somente na caldeira convencional de biomassa, sendo o mesmo apenas superaquecido pelos gases de exaustão da turbina a gás antes de entrar na turbina a vapor. Foi concluído que a primeira opção é mais viável, embora necessite de maiores investimentos, mas estudos mais detalhados devem ser feitos para otimização do sistema.

Ensinas et al. (2006a) realizaram a otimização termoeconômica do consumo da energia térmica no processo de produção de açúcar, visando valores mínimos de

investimentos e de custo de operação. Alguns dados de usinas sucroalcooleiras brasileiras foram usados para definir os parâmetros do processo. A metodologia proposta foi usada para avaliar o custo do vapor consumido pelas usinas e otimizar o projeto do sistema de evaporação e da rede de trocadores de calor.

Ensinas et al. (2006b) analisaram diferentes opções de sistemas de cogeração em usinas sucroalcooleiras com objetivo principal de verificar as possibilidades do aumento da geração de eletricidade. Foram consideradas quatro opções, sendo a primeira com a utilização da tradicional turbina de contrapressão; a segunda com a utilização de uma moderna turbina de extração-condensação; a terceira com a utilização de um gaseificador de bagaço, uma turbina a gás e uma caldeira de recuperação e, por fim, a quarta com uma configuração de ciclo combinado integrado com a gaseificação da biomassa. Vale destacar que a análise da potência das plantas foi realizada junto com a redução da demanda de vapor do processo de produção de açúcar, uma vez que esses dois sistemas estão interligados. Através dos resultados obtidos foi concluído que existe um potencial significativamente grande para o aumento da produção de eletricidade usando o bagaço da cana e a palha (na entressafra) como combustíveis principalmente com ciclos a vapor com turbinas de extração-condensação.

Zanetti, Pellegrini e Oliveira Junior (2006) apresentaram um sistema de cogeração de energia para uma usina sucroalcooleira, com utilização de bagaço de cana-de-açúcar e gás natural, visando maximizar a produção de eletricidade. Para este sistema, foram propostas diversas estratégias de operação para uma mesma planta de utilidade, sendo uma delas a utilização de todo o bagaço na gaseificação e complementação de gás natural na turbina a gás de forma a atender a demanda de vapor da usina (sem queima de bagaço na caldeira de recuperação), e outra forma de operação com o envio de uma determinada quantidade de bagaço ao gaseificador para acionar uma turbina a gás, sendo o excedente queimado na caldeira de recuperação de forma a maximizar a quantidade de vapor produzida. Por fim, foi concluído que a maximização da produção de energia elétrica implica no comprometimento do rendimento exergético do sistema, devido ao aumento das irreversibilidades na caldeira.

Lobo et al. (2007) realizaram uma análise econômica das modificações propostas no